(57)【要約】  リングベルトに強化を提供するために、リングベルトの内面とアンダークラウン面との間、および／またはリングベルトの内面とピンボスとの間に配置される少なくとも１つのインサートを含むピストンが提供される。インサートは、リングベルトの熱的および機械的な歪みを減らし、このためピストンリング性能を増加させ、吹抜けを減らし、最終的にエンジンエミッションを向上させる。インサートは、直接堆積、レーザ外装、レーザ焼結、アーク溶接、追加的な溶接、プラズマ移送アーク溶射、プラズマ溶接、アーク溶接、選択的レーザ焼結、および高速酸素燃料溶射、プラズマ溶射といった追加的な機械加工プロセスによって形成される。１つの実施形態に従って、中間ピースは、ピストンに機械的に固定され、インサートは、追加の強化を提供するために、中間ピースに適用される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンであって、
金属材料から形成される本体を備え、前記本体は、上部燃焼面および反対側に面したアンダークラウン面を含み、
前記本体は、前記上部燃焼面から延在するリングベルトを含み、前記リングベルトは、複数のリング溝を有し、
前記本体は、前記アンダークラウン面から延在するピンボスの対を含み、前記ピストンはさらに、
前記リングベルトの内面から前記アンダークラウン面に径方向に延在するかまたは前記リングベルトの内面から前記ピンボスのうちの１つに径方向に延在する、前記リングベルトを支持するためのインサートを備え、前記インサートは、追加的な機械加工プロセスによって形成される、ピストン。
【請求項２】
前記インサートは、前記リングベルトの前記内面から前記ピンボス間に配置された前記アンダークラウン面の一部に連続的に延在する、請求項２に記載のピストン。
【請求項３】
前記インサートは、前記リングベルトの前記内面から前記ピンボスのうちの１つに連続的に延在する、請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
各々が前記リングベルトから前記アンダークラウン面または前記ピンボスのうちの１つに延在する複数の前記インサートを含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
前記インサートの少なくとも１つの対を含み、前記インサートは、直径に沿って互いに反対側に配置される、請求項１に記載のピストン。
【請求項６】
前記本体は、第１の材料から形成され、前記第１の材料は、鋼材、アルミ系材、および鋳鉄から選択され、前記インサートは、第２の材料から形成され、前記第２の材料は、鋼材、ニッケルクロム合金、およびチタン合金から選択される、請求項１に記載のピストン。
【請求項７】
前記ピストンは、前記アンダークラウン面に沿って閉じた冷却ギャラリを有さない、請求項１に記載のピストン。
【請求項８】
前記インサートは、前記ピストンの前記リングベルトの強度を前記インサートを有さない以外同一のデザインを有するピストンのリングベルトの強度に比べて増加させる、請求項１に記載のピストン。
【請求項９】
前記リングベルトの内面から前記アンダークラウン面または前記ピンボスのうちの１つに径方向に延在する中間ピースを含み、前記中間ピースは、前記リングベルトの前記内面に機械的に固定され、前記中間ピースは、前記アンダークラウン面または前記ピンボスのうちの１つに機械的に固定され、前記インサートは、前記中間インサート上に形成される、請求項１に記載のピストン。
【請求項１０】
前記ピンボスの各々は、ピンボア軸を囲むピンボアを含み、前記ピストンは、直径に沿って互いに反対に配置された前記インサートの対を含み、前記インサートは、前記ピンボア軸に沿って配置され、各々は、前記リングベルトから前記ピンボスのうちの１つに径方向に延在する、請求項１に記載のピストン。
【請求項１１】
前記ピンボスの各々は、ピンボア軸を囲むピンボアを含み、前記ピストンは、直径に沿って互いに反対に配置された前記インサートの対を含み、前記インサートは、前記ピンボア軸から角度がずれており、各々は、前記リングベルトから前記ピンボスのうちの１つに径方向に延在する、請求項１に記載のピストン。
【請求項１２】
内燃機関のためのピストンであって、
第１の材料から形成される本体を備え、前記第１の材料は、鋼材、アルミ系材、および鋳鉄から選択され、
前記本体は、燃焼チャンバに曝される中心軸を囲む上部燃焼面を含み、前記上部燃焼面は、外リムによって囲まれた燃焼ボウルを含み、
前記本体は、前記上部燃焼面の反対側に面したアンダークラウン面を含み、
前記本体は、前記上部燃焼面の前記外リムから前記中心軸に対して長手方向に延在するリングベルトを含み、前記リングベルトは、前記中心軸から離れる方を向く複数のリング溝を有し、
前記本体は、前記アンダークラウン面または前記リングベルトに沿って配置される閉じた冷却ギャラリを有さず、
前記本体は、直径に沿って互いに反対に配置されたピンボスの対を含み、前記ピンボスは、前記アンダークラウン面から前記中心軸に対して長手方向に延在し、前記ピンボスの各々は、ピンボア軸を囲むピンボアを含み、前記ピストンは、
前記リングベルトを支持するための少なくとも１つのインサートの対を備え、前記インサートは、第２の材料から形成され、前記第２の材料は、鋼材、ニッケルクロム合金、およびチタン合金から選択され、
前記インサートは、直径に沿って互いに反対であり、前記インサートの各々は、前記リングベルトの内面から前記アンダークラウン面に径方向に連続的にまたは前記リングベルトの内面から前記ピンボスのうちの１つに径方向に連続的に延在し、
前記インサートは、追加的な機械加工プロセスによって形成され、前記追加的な機械加工プロセスは、前記第２の材料を直接堆積、レーザ外装、レーザ焼結、アーク溶接、追加的な溶接、レーザ焼結、アーク溶接、追加的な溶接、プラズマ移送アーク溶射、プラズマ溶接、アーク溶接、選択的レーザ焼結、および高速酸素燃料溶射、プラズマ溶射することから選択される、ピストン。
【請求項１３】
ピストンを製造する方法であって、
金属材料から形成される本体を提供するステップを備え、前記本体は、上部燃焼面および反対側に面したアンダークラウン面を含み、前記本体は、複数のリング溝を有し前記上部燃焼面から延在するリングベルトを含み、前記本体は、前記アンダークラウン面から延在するピンボスの対を含み、前記方法はさらに、
前記リングベルトの内面から前記アンダークラウン面に径方向にまたは前記リングベルトの前記内面から前記ピンボスのうちの１つに径方向に延在する、前記リングベルトを支持するためのインサートを形成するステップを備え、
前記インサートを形成する前記ステップは、追加的な機械加工プロセスを含む、方法。
【請求項１４】
前記追加的な機械加工プロセスは、材料を直接堆積、レーザ外装、レーザ焼結、アーク溶接、追加的な溶接、プラズマ移送アーク溶射、プラズマ溶接、アーク溶接、選択的レーザ焼結、高速酸素燃料溶射、およびプラズマ溶射することのうちの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記インサートを形成する前記ステップは、前記インサートを前記リングベルトの前記内面から前記ピンボス間に配置された前記アンダークラウン面の一部に連続的に延在させることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記インサートを形成する前記ステップは、前記インサートを前記リングベルトの前記内面から前記ピンボスのうちの１つに連続的に延在させることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
複数の前記インサートを形成するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記本体は、第１の材料から形成され、前記第１の材料は、鋼材、アルミ系材、および鋳鉄から選択され、前記インサートは、第２の材料から形成され、前記第２の材料は、鋼材、ニッケルクロム合金、およびチタン合金から選択される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記ピストンの前記本体は、第１の材料から形成され、前記追加的な機械加工プロセスは、第２の材料を前記ピストン本体の前記第１の材料上に直接堆積することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
中間ピースを前記本体に機械的に固定するステップを含み、前記中間ピースは、前記リングベルトの前記内面から前記アンダークラウン面に径方向にまたは前記リングベルトの前記内面から前記ピンボスのうちの１つに径方向に延在し、前記インサートを形成する前記ステップは、前記インサートを前記中間ピースに前記追加的な機械加工プロセスによって適用することを備える、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この特許出願は、２０１６年９月２７日に出願された米国特許出願第１５／２７７，４４３号に対する優先権を主張し、その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
発明の背景
１．発明の技術分野
この発明は、一般に内燃機関のためのピストン、およびピストンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
エンジン製造者は、限定しない例として、燃費の向上、オイル消費の減少、燃料システムの向上、シリンダボア内の圧縮負荷および動作温度の増加、ピストンを通した熱損失の減少、構成部品の潤滑性向上、エンジン重量低下、エンジンをよりコンパクトにしつつ、それと同時に製造に関する費用を削減することを含む、エンジン効率および性能を改善する増加する要求に遭遇している。
【０００４】
削減された重量、削減された製造コスト、および削減された圧縮高さを有するピストンを提供するために、ピストンは、しばしばアンダークラウン面に沿って閉じた冷却ギャラリを有さない単一ピースとして設計される。これらのピストンは、典型的に「ギャラリ無し」ピストンとも称される。特定のパフォーマンスを提供するために設計されるピストンの別の種類は、たとえば鋼クラウンおよびアルミニウムスカート等の２ピース設計を含む。これらピストンは、典型的に「連結式」ピストンとも称される。
【０００５】
ギャラリ無しピストンおよび連結式ピストンの両方は、支持されていないリングベルトを典型的に含み、この場合、リングベルトを支持するためにリングベルトからピストンの別の部分に延在する構造が存在しない。支持されていないリングベルトを有するピストン設計は、重量削減、製造プロセス簡略化、およびコスト削減といった数多くの利点を提供するが、支持されていないリングベルトを有するピストンは、吹抜けを経験する可能性がある。典型的に、吹抜けは、リングベルト幾何の熱的および機械的な歪みによる不適切な圧縮リング着座の結果であり、ピストンとシリンダ壁との間のクランクケースへの空気−燃料混合物または燃焼ガスの漏れを含む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の概要
１つの発明の局面は、内燃機関のためのピストンを備える。ピストンは、リングベルトの削減された熱的および機械的な歪み、およびこのため増加されたピストンリング性能、削減された吹抜け、および最終的に改善されたエンジンエミッションを提供するためのインサートを含む。ピストンは、金属材料から形成される本体を含む。本体は、上部燃焼面および反対側に面したアンダークラウン面を含む。本体はまた、上部燃焼面から延在し複数のリング溝を有するリングベルトを含む。本体はまた、アンダークラウン面から延在するピンボスの対を含む。ピストンはさらに、リングベルトの内面からアンダークラウン面に径方向にまたはリングベルトの内面からピンボスのうちの１つに径方向に延在する、リングベルトを支持するためのインサートを含む。インサートは、追加的な機械加工プロセスによって形成される。
【０００７】
別の発明の局面は、リングベルトの削減された熱的および機械的な歪み、およびこのため増加されたピストンリング性能、削減された吹抜け、および最終的に改善されたエンジンエミッションを提供するためのインサートを含む内燃機関のためのピストンを製造する方法を提供する。方法は、金属材料から形成される本体を提供することを含み、本体は、上部燃焼面および反対側に面したアンダークラウン面を含み、本体は、複数のリング溝を有し上部燃焼面から延在するリングベルトを含み、本体は、アンダークラウン面から延在するピンボスの対を含む。方法はさらに、リングベルトの内面からアンダークラウン面に径方向にまたはリングベルトの内面からピンボスのうちの１つに径方向に延在する、リングベルトを支持するためのインサートを形成することを含む。インサートを形成するステップは、追加的な機械加工プロセスを含む。
【０００８】
図面の簡単な説明
本発明の他の利点は、添付の図面と関連して考慮されるとき、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるようになるので、容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的実施形態に従いインサートの対を含むピストンの側面断面図である。
【図２】図１のピストンの底面図である。
【図３】別の例示的実施形態に従いインサートの２つの対を含むピストンの底面図である。
【図４Ａ】別の例示的実施形態に従い各々が中間ピース上に形成されるインサートの２つの対を含むピストンのピンボア軸に沿う側面断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａのピストンのスラスト軸に沿う側面断面図である。
【図４Ｃ】インサートおよび中間ピースの分解図を示す図４Ａのピストンの側面断面図である。
【図４Ｄ】図４Ａのピストンの底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
例示的な実施形態の詳細な説明
例示的実施形態に従う内燃機関のためのピストン２０が一般に図１〜図４Ｄに示される。ピストン２０は、上部燃焼面２６から延在するリングベルト２４および追加的な機械加工プロセスによって形成されるインサート２８を有する本体２２を備える。インサート２８は、リングベルトを支持し、このためリングベルト２４の削減された熱的および機械的な歪み、およびこのため増加されたピストンリング性能、削減された吹抜け、および最終的に改善されたエンジンエミッションを提供する。
【００１１】
ピストン２０の本体２２は、典型的に鋼材、アルミ系材、および鋳鉄からの第１の材料から形成される。例示的実施形態では、ピストン２０の本体２２は、単一ピースであり、ギャラリ無しピストンとも称される。代替的に、ピストン２０の本体２２は、２ピース連結式ピストンとして設計されることができ、または本体２２は、別の設計を有することができる。
【００１２】
本体２２は、燃焼チャンバに曝される中心軸Ａを囲む上部燃焼面２６を含み、上部燃焼面２６は、外リム３２によって囲まれた燃焼ボウル３０を含む。本体２２はまた、上部燃焼面２６の反対側に面したアンダークラウン面３４を含む。本体２２のリングベルト２４は、上部燃焼面２６の外リム３２から中心軸Ａに対して長手方向に延在する。リングベルト２４はまた、中心軸Ａから離れる方を向く複数のリング溝を有する。ピストン２０がギャラリ無しピストンである例示的実施形態では、本体２２は、アンダークラウン面３４またはリングベルト２４に沿って配置された閉じた冷却ギャラリを有さない。ピストン２０の本体２２はまた、直径に沿って互いに反対に配置されたピンボス３６の対を含む。ピンボス３６は、アンダークラウン面３４から中心軸Ａに対して長手方向に延在する。ピンボス３６の各々は、ピンボア軸Ａｂを囲むピンボア３８を含む。
【００１３】
ピストン２０は、リングベルト２４を支持するために、支持リブまたは構造的ウェブとも称され、追加的な機械加工プロセスによって形成されるインサート２８と、好ましくはインサート２８の少なくとも１つの対または複数のインサート２８とのうちの少なくとも１つを含む。インサート２８によってリングベルト２４に提供される支持は、リングベルト２４の熱的および機械的な歪みを減らし、このためピストンリング性能を増加させ、吹抜けを減らし、最終的にエンジンエミッションを向上させる。インサート２８の場所および幾何は典型的に、必要とされる強化の程度に依存する。たとえば環状の円弧の長さは変化されることができる。また、インサート２８の場所は典型的に、ピストン２０の本体２２の幾何およびエンジン負荷条件によって決められる。
【００１４】
インサート２８は、第２の材料から形成され、第２の材料は、低炭素鋼、合金鋼、工具鋼、およびステンレス鋼といったニッケルクロム合金、チタン合金、および鋼材料から典型的に選択される。第２の材料は、第１の材料とは典型的に異なるが、第１の材料および第２の材料は同じであることができる。インサート２８の各々は、リングベルト２４の内面４０からアンダークラウン面３４に径方向に連続的にまたはリングベルト２４の内面４０からピンボス３６のうちの１つに径方向に連続的に延在する。
【００１５】
ピストン２０が、インサート２８の対を含むとき、インサート２８は典型的に、直径に沿って互いに反対に配置される。図１および図２の例示的実施形態では、ピストン２０は、ピンボア軸Ａｂに沿って直径方向に互いに反対に配置されたインサート２８の対を含む。ピストン２０はまた、スラスト軸Ａｔに沿って互いに直径方向に反対に配置されるインサート２８の第２の組を含むことができる。図３の例示的実施形態では、ピストン２０は、インサート２８の２つの対を含み、各対は直径に沿って互いに反対に、しかしピンボア軸Ａｂから角度をずらして配置される。図４Ａ〜図４Ｄの例示的実施形態では、ピストン２０はまた、各々が直径に沿って互いに反対に配置されたインサート２８の２つの対を含む。インサート２８の１つの対は、ピンボア軸Ａｂに沿って配置され、その他の対がスラスト軸Ａｔに沿って配置される。
【００１６】
さまざまな異なる追加的な機械加工プロセスは、インサートを形成するために使用されることができる。たとえば追加的な機械加工プロセスは、第２の材料をピストン本体２２の第１の材料上に、直接堆積、レーザ外装、レーザ焼結、アーク溶接、追加的な溶接、プラズマ移送アーク溶射、プラズマ溶接、アーク溶接、選択的レーザ焼結、高速酸素燃料溶射、およびプラズマ溶射することのうちの少なくとも１つを含むことができる。１つの例示的実施形態に従い、インサート２８を形成するために使用される第２の材料は、本体２２の第１の材料上に直接堆積され、これは、インサート２８の幾何が自由造形によって形成されることを可能とする。
【００１７】
ピストン２０はまた、図４Ａ〜図４Ｄの例に示されるようなインサート２８を支持するための第３の材料から形成される中間ピース４２を含むことができる。中間ピース４２は、高体積堆積プロセスを可能とするためのインサート２８の強化幾何を予め規定する。中間ピース４２を形成するために使用される第３の材料は典型的に、ピストン２０の本体２２を形成するために使用される第１の材料および必須とされる構造的強化の程度に依存する。たとえば第３の材料は、低炭素鋼、合金鋼、具鋼、ステンレス鋼、ニッケルクロム合金、およびチタン合金から選択され得る。第３の材料は、第１の材料および／または第２の材料と同じであることができ、または第１の材料および／または第２の材料とは異なることができる。
【００１８】
不活性物質２８が追加的な機械加工プロセスによって形成される前に、中間ピース４２は、本体２２に機械的に固定される。中間ピース４２の幾何および場所は、インサート２８の所望の幾何および場所に依存して変化できる。図４Ａ〜図４Ｄの例示的実施形態では、中間ピース４２は、ピストン２０の中心軸Ａに垂直に配置され、リングベルト２４の内面４０とアンダークラウン面３４またはピンボス２６との間を延在する底壁４４を含む。この例示的実施形態の中間ピース４２はまた、中心軸Ａに平行に配置され、底壁４４からリングベルト２４の内面４０に沿って上向きに延在する側壁４６を含む。
【００１９】
ピストン２０が中間ピース４２を含むとき、インサート２８はさまざまな異なる追加的な機械加工プロセスによって中間ピース４２に適用され得る。たとえば、追加的な機械加工プロセスは、第２の材料を中間ピースの第３の材料上に直接堆積、レーザ外装、レーザ焼結、アーク溶接、追加的な溶接、プラズマ移送アーク溶射、プラズマ溶接、アーク溶接、選択的レーザ焼結、高速酸素燃料溶射、およびプラズマ溶射することのうちの少なくとも１つを含むことができる。典型的に、プロセスは、第２の材料を中間ピース４２の第３の材料上にレーザ外装、プラズマ移送アーク溶射、プラズマ溶接、アーク溶接、選択的レーザ焼結、高速酸素燃料溶射、およびプラズマ溶射することのうちの少なくとも１つを含む。追加的な機械加工プロセスの結果、中間ピース４２は、最終的に定位置に保持され、結果として得られるピストン構造に完全に組み込まれる。
【００２０】
別の発明の局面は、ピストン２０を製造する方法である。方法は、第１の材料から形成される本体２２を提供することを含む。鋳造、鍛造、または別の方法といったさまざまな異なる方法が、ピストン２０の本体２２を形成するために使用されることができる。
【００２１】
次に、方法は、ピストン２０の本体２２上に第２の材料のインサート２８を形成することを含む。インサート２８を形成するステップは、第２の材料を直接堆積、レーザ外装、レーザ焼結、アーク溶接、追加的な溶接、プラズマ移送アーク溶射、プラズマ溶接、アーク溶接、選択的レーザ焼結、高速酸素燃料溶射、およびプラズマ溶射することのうちの少なくとも１つといった追加的な機械加工プロセスを含む。たとえば本体２２が第１の材料から形成されるとき、追加的な機械加工プロセスは、第２の材料をピストン本体２２の第１の材料上に直接堆積することを含むことができる。インサート２８を形成するステップは典型的に、インサート２８をリングベルト２４の内面４０からピンボス２６間に配置されたアンダークラウン面２４の一部に連続的に延在させること、またはインサート２８をリングベルト２４の内面４０からピンボス２６のうちの１つに連続的に延在させることを含む。１つの実施形態に従って、方法は、複数のインサート２８を形成することを含む。
【００２２】
１つの実施形態に従って、方法は、追加の強化のために、不活性物質２４を適用する前に、第３の材料から形成される中間ピース４２をピストン２０の本体２２に機械的に固定することを含む。一度中間ピース４２が固定されると、方法は、第２の材料を第３の材料に、たとえば第２の材料を第３の材料上にレーザ外装、プラズマ移送アーク溶射、プラズマ溶接、アーク溶接、選択的レーザ焼結、高速酸素燃料溶射、およびプラズマ溶射することによって適用することを含む。
【００２３】
上記の教示に照らして、本発明の多くの変更および変形が可能であり、本発明の範囲内で具体的に記載されたものとは異なる方法で実施され得る。そのような組み合わせが互いに矛盾しない限り、すべての請求項およびすべての実施形態のすべての特徴は互いに組み合わせられ得ると考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
2019529786.tif 000009
【国際調査報告】
2019529786.tif 000010
2019529786.tif 000011
2019529786.tif 000012